文 學(xué)，李華強(qiáng)，朱梅玉，朱科軍，劉志輝，陳志剛

（1.邵陽學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院，湖南 邵陽 422000；2.高效動力系統(tǒng)智能制造湖南省重點(diǎn)實驗室，湖南 邵陽 422000）

0 引言

橋式行車作為一種常見的起重設(shè)備，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。然而，在橋式行車的運(yùn)行過程中，由于負(fù)載的擺動和行車的運(yùn)動不穩(wěn)定性，可能導(dǎo)致安全隱患和降低作業(yè)效率。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，橋式吊車的控制方式從早期的繼電器-接觸器控制系統(tǒng)逐漸發(fā)展為采用現(xiàn)代化技術(shù)的控制系統(tǒng)，如PLC 技術(shù)、變頻器技術(shù)等。這些技術(shù)的引入有效地改善了吊車的控制精度和運(yùn)行平穩(wěn)性。

為了提高行車的自動化水平和操作安全性，研究人員和工程技術(shù)人員采用先進(jìn)的控制技術(shù)，如輸入整形控制[1，2]、最優(yōu)控制[3，4]、模糊控制[5，6]等，致力于起吊過程的自動化與智能化。相應(yīng)控制方法對橋式行車的擺角抑制都能起到了很好的控制效果。孫立坤[7]利用PLC 結(jié)合變頻調(diào)速技術(shù)，改進(jìn)控制系統(tǒng)，使起重機(jī)行走平滑、穩(wěn)定。楊新軍[8]結(jié)合PLC 和PC 設(shè)計一種抑制行車擺動的控制方案，闡述了軟件和硬件設(shè)計過程。胡佳辰[9]介紹PLC 與變頻控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，分析了PLC 與變頻控制技術(shù)在港口行車中的具體應(yīng)用和應(yīng)用效果。邱光繁等[10]設(shè)計并搭建了一個三維橋式行車實驗平臺，模擬防搖控制系統(tǒng)實際動態(tài)特性和運(yùn)行過程。

傳統(tǒng)研究中所構(gòu)建的實驗平臺使用了簡化的物理模型，只能實現(xiàn)負(fù)載升降、左右移動等簡單的邏輯控制，或者只針對特定功能或控制算法進(jìn)行測試，忽略了一些實際情況中的復(fù)雜因素，例如海上的波浪和風(fēng)力等。為此，設(shè)計一種多功能實驗臺，并滿足其實驗測試需求，對該實驗臺進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計。

1 實驗測試與控制方案設(shè)計

1.1 實驗臺模型

橋式行車實驗平臺基本功能結(jié)構(gòu)參考實際橋式行車按比例縮小。橋式行車是主要由桁架模塊、大車移動模塊、小車移動模塊、升降模塊、驅(qū)動控制模塊、工況模擬模塊和各種安全保護(hù)裝置組成。實驗平臺如圖1 所示。

圖1 橋式行車實驗平臺

該實驗臺能實現(xiàn)在X向（大車移動方向）、Y向（小車移動方向）和Z向（負(fù)載上下移動方向）平穩(wěn)的三維運(yùn)動，即可以實現(xiàn)在陸地工廠完成重物精確平穩(wěn)移動。若橋式行車處于船舶上，受波浪起伏影響，該實驗臺可以啟動振動電機(jī)或氣缸電機(jī)，使臺架振動或晃動，再控制負(fù)載在XYZ向上的移動，實現(xiàn)該工況的模擬。

1.2 功能需求與總體方案

1.2.1 功能需求

橋式行車實驗臺控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下控制功能：

（1）大車、小車、起吊的啟停及運(yùn)動控制：通過PLC 控制變頻器實現(xiàn)大車、小車在水平方向上的運(yùn)動，包括前進(jìn)、后退、和變速運(yùn)動。觸發(fā)左、右限位開關(guān)時，伺服電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，同時可以對伺服電機(jī)進(jìn)行點(diǎn)動控制，實現(xiàn)大車、小車位置的微調(diào)。起吊在觸發(fā)上限位開關(guān)時，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，可以對伺服電機(jī)進(jìn)行點(diǎn)動控制。

（2）工況模擬：模擬船舶上的波浪起伏影響，也就是12 振動和13 晃動帶來的起吊過程中擺角變化，需要模擬其狀態(tài)進(jìn)行實驗。

1.2.2 總體控制方案

根據(jù)橋式行車實驗臺系統(tǒng)的功能需求，設(shè)計制定了實驗臺控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案（圖2）。

圖2 實驗臺控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案

控制系統(tǒng)主要包括上位機(jī)、下位機(jī)和各種傳感器。上位機(jī)設(shè)置實驗參數(shù)、在線監(jiān)控各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)及故障信息等；由PLC 及對應(yīng)硬件組成的下位機(jī)接收限位開關(guān)、姿態(tài)傳感器的信息，然后PLC執(zhí)行上位機(jī)對應(yīng)指令，控制變頻器，實現(xiàn)各個伺服電機(jī)的點(diǎn)動、復(fù)位和自動運(yùn)行等功能。

該實驗臺采用兩臺電動機(jī)來控制大車的X向移動，由同一臺變頻器同時驅(qū)動控制。一臺電動機(jī)控制小車的Y向移動，再由一臺升降電動機(jī)通過控制卷筒的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)負(fù)載的Z向運(yùn)動，各采用一臺變頻器驅(qū)動。變頻器可將交流電動機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)楦呔瓤勺凃?qū)動器，實現(xiàn)負(fù)載移動位置的高精度控制。通過繼電器控制振動電機(jī)及上下位移電機(jī)，實現(xiàn)船舶起伏工況的模擬。

2 硬件設(shè)計

2.1 變頻器的選型

該試驗臺采用兩臺伺服電機(jī)來控制大車的水平移動，一臺伺服電機(jī)控制小車的水平移動，另有一臺升伺服電機(jī)通過控制卷軸的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)負(fù)載的升降。本文采用FR-A740 性能卓越矢量變頻器來驅(qū)動大車電機(jī)、小車電機(jī)和起升電機(jī)。FR-A740 是三菱電機(jī)公司生產(chǎn)的一款性能卓越的矢量變頻器，是一種用于控制交流電動機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩的設(shè)備。它采用先進(jìn)的矢量控制算法，能夠精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩，在低速和高負(fù)載情況下保持穩(wěn)定運(yùn)行。其具有：較寬的速度調(diào)節(jié)范圍，可適應(yīng)不同工況下電機(jī)的速度調(diào)節(jié)需求；響應(yīng)速度快，能夠?qū)崟r響應(yīng)變頻指令，實現(xiàn)電機(jī)的快速啟停和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；內(nèi)置多種保護(hù)功能，如過載保護(hù)、過流保護(hù)、過壓保護(hù)等，保障電機(jī)和設(shè)備的安全運(yùn)行；支持多種通信接口，如RS485、RS232、Ethernet 等，便于與上位機(jī)進(jìn)行通信和集成控制。

2.2 PLC 的選型

要實現(xiàn)橋式行車的自動化，PLC 裝置必不可少，其廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化等領(lǐng)域。本文所設(shè)計的橋式行車采用三菱FX2N 系列的PLC，該系列PLC 具有高速運(yùn)算能力和快速響應(yīng)特性，可以實現(xiàn)對橋式行車的實時控制和高精度定位；具有較高的抗干擾能力和穩(wěn)定性，適用于各種惡劣的工作環(huán)境。同時由于輸入多輸出少，設(shè)計的I/O 地址共有53 位輸入和18 位輸出，因此可以挑選FX2N-48MR，再添加2 路FX2N-16EX，總共56 位輸入和24 位輸出，有預(yù)留輸入輸出。同時，三臺變頻器由PLC 發(fā)出的模擬電壓信號來驅(qū)動，再選擇FX2N-4DA，該模塊包括四個模擬輸出。限位開關(guān)等接到PLC 的輸入端，電機(jī)與變頻器接PLC 的輸出端，上位機(jī)與PLC 進(jìn)行組網(wǎng)連接通訊。

2.3 PLC 的I/O 地址分配

考慮實驗臺的實際工況和控制要求，PLC 的I/O分配如表1 和表2 所示，根據(jù)I/O 分配，設(shè)計的PLC端口連接如圖3 所示。

表1 試驗臺控制系統(tǒng)輸入口分配

表2 試驗臺控制系統(tǒng)數(shù)字量輸出口分配

圖3 PLC 端口連接

3 軟件設(shè)計

3.1 PLC 程序框架

本實驗臺采用三菱編程軟件來完成PLC 的軟件開發(fā)，實現(xiàn)模塊化編程。在實驗臺機(jī)械主體的基礎(chǔ)上，通過選用三菱FX2N 系列PLC，設(shè)計接近開關(guān)與伺服電機(jī)的運(yùn)動控制方案。整個橋式行車PLC 程序如圖4 所示，主要分為大車控制、小車控制、起吊控制三個過程。

圖4 PLC 程序總體流程

3.2 大車程序

當(dāng)大車運(yùn)行開始時，首先進(jìn)行各項安全電路檢查，如變頻故障檢查，過載檢查，左、右限位檢查。隨后給大車移動設(shè)置速度，啟動電機(jī)，大車移動，到達(dá)指定位置后大車停運(yùn)。大車移動控制程序如圖5。

圖5 大車控制程序

3.3 小車程序

小車的控制邏輯同大車相似，其移動控制程序如圖6。

圖6 小車控制程序

3.4 臺架振動與晃動功能程序

進(jìn)行振動和晃動工況模擬時，首先檢查繼電器和電機(jī)故障，然后進(jìn)行工況選擇：振動、晃動、振動及晃動，啟動相應(yīng)的電機(jī)，臺架實現(xiàn)振動或晃動，再對大結(jié)束車、小車的控制。臺架振動與晃動功能程序如圖7所示。

4 人機(jī)界面設(shè)計

本設(shè)計方案利用GT Designer3 三菱觸摸屏數(shù)控編程軟件構(gòu)建了試驗臺觸摸顯示屏仿真模型，調(diào)試完成了對橋式行車實驗臺的監(jiān)管。根據(jù)模擬和調(diào)試，驗證了應(yīng)用程序的正確性，完成了試驗臺的控制要求。

觸摸屏作為控制系統(tǒng)的上位機(jī)可以顯示和輸入控制參數(shù)，并可以在線修改、監(jiān)控和顯示報警詳細(xì)信息。圖8 為人機(jī)界面的主界面，用于顯示設(shè)備狀態(tài)，設(shè)有大車控制按鈕、小車控制按鈕和吊鉤控制按鈕，分別實現(xiàn)對大車、小車和吊鉤的精準(zhǔn)控制，并設(shè)有啟動按鈕、停止按鈕、急停按鈕、復(fù)位按鈕等功能按鈕。同時還設(shè)置各種速度選擇按鈕和各種故障指示燈。

圖8 人機(jī)界面

5 系統(tǒng)測試

應(yīng)用PLC 軟件的模擬功能并配合觸摸屏對系統(tǒng)進(jìn)行測試，驗證大車移動控制程序。如圖9 所示，采用邏輯控制編程方式對大車移動進(jìn)行控制；其中M100是大車的使能條件，M101 為啟動信號，X14、X15 為右極限、左極限。選擇按下X3 時則Y0 得電后正轉(zhuǎn)大車以1 檔速度向右移動，遇到右極限位Y0 斷電停止。選擇按下X7 時則Y1 得電后反轉(zhuǎn)大車以1 檔速度向左移動，遇到左極限位Y1 斷電停止。選擇按下X17時則實現(xiàn)大車的點(diǎn)動移動，按下X16 實現(xiàn)復(fù)位。通過不同速度X3、X4、X5 或X7、X10、X11 之間聯(lián)鎖，Y0和Y1 互鎖，大車只能以一個速度移動。這種控制方式控制可靠，能讓大車準(zhǔn)確?？吭谀繕?biāo)位置。

圖9 邏輯控制程序

經(jīng)過充分的仿真試驗后，需要搭建實驗平臺來進(jìn)一步對系統(tǒng)的控制程序進(jìn)行調(diào)試實驗。根據(jù)所選設(shè)備進(jìn)行硬件的安裝與調(diào)試，搭建與實際橋式行車結(jié)構(gòu)相近的橋式行車實驗平臺物理模型，其中包括起重機(jī)主體、計算機(jī)、位移傳感器和控制箱等，如圖10 所示。

圖10 橋式行車模型實物

在該實驗平臺實際應(yīng)用后，實現(xiàn)了對大車、小車和吊鉤的啟停及運(yùn)動控制，證實了該控制系統(tǒng)在橋式行車運(yùn)動控制方面的精確性和穩(wěn)定性滿足了實際生產(chǎn)的需求。

6 結(jié)語

本文在多功能橋式行車實驗臺結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)上，結(jié)合實驗臺擬實驗功能，設(shè)計了一套基于三菱PLC的多功能橋式行車控制系統(tǒng)，主要取得以下成果：（1）對控制系統(tǒng)所需硬件進(jìn)行選型設(shè)計；（2）設(shè)計了多功能模塊的PLC 程序；（3）結(jié)合實驗測試需求，設(shè)計了人機(jī)界面。并通過仿真模擬證實了該控制系統(tǒng)在橋式行車運(yùn)動控制方面的精確性和穩(wěn)定性，實現(xiàn)了對吊鉤的啟停及運(yùn)動控制，滿足了實際生產(chǎn)的需求。